國防科普加油站（15）硅光芯片：“后摩爾定律”時代的“新寵”

晶體管被譽為“20世紀(jì)最偉大的發(fā)明”，它為集成電路、計算機、互聯(lián)網(wǎng)等的產(chǎn)生奠定了基礎(chǔ)，從而將人類社會迅速帶入信息社會。當(dāng)今世界，以集成電路為核心的微電子產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活中，并滲透到各個領(lǐng)域，幾乎改變了整個世界。

芯片作為一種復(fù)雜的集成電路，自20世紀(jì)50年代末發(fā)明以來，它的發(fā)展一直遵循“摩爾定律”，即性能每隔18個月提高一倍。發(fā)展至今，其集成度已提高5000多萬倍，特征尺寸則縮減到一根頭發(fā)絲直徑的萬分之一，其集成度及加工制造已經(jīng)受到嚴(yán)重制約，尺寸縮小幾乎達(dá)到極限，“摩爾定律”面臨著失效的“窘境”。在這種情況下，迫切希望有一種新技術(shù)開辟半導(dǎo)體行業(yè)的新局面?？芍^“車到山前必有路”，如今，一種以光子和電子為信息載體的硅基光電子技術(shù)正在興起，該項技術(shù)催生的硅光芯片，被視為“后摩爾定律”時代的“新寵”，為半導(dǎo)體芯片“換道超車”帶來了希望，受到科技界的廣泛關(guān)注。那么，硅基光電子技術(shù)有何與眾不同的過人之處呢？

光電優(yōu)勢互補,硅光芯片迎來曙光

在半導(dǎo)體領(lǐng)域，微電子器件的進(jìn)一步小型化，使得集成電路的互連延遲及能耗問題成了高速集成電路一個不可逾越的障礙。此時，善于創(chuàng)新的科學(xué)家便想到了“另辟蹊徑”，與電子相比，光子作為信息載體有其獨特優(yōu)勢：光子沒有靜止質(zhì)量，光子之間的干擾相對更弱，光的不同波長可用于多路同時通訊，使得其帶寬更大、速率更高。

那么，用光子代替電子，以光運算代替電運算，研制開發(fā)光子芯片，問題不就迎刃而解了嗎？然而“理想很豐滿，現(xiàn)實卻很骨感”，一度被科學(xué)家寄予厚望的光子芯片在現(xiàn)實中卻行不通。因為，制造用于光子芯片的納米級光學(xué)器件現(xiàn)階段難以實現(xiàn)，而光的集成度，也達(dá)不到現(xiàn)有微電子集成電路水平。

嚴(yán)峻的現(xiàn)實，并沒有阻止科學(xué)家們探索創(chuàng)新的腳步。他們想到，既然電子和光子各有利弊，那么，將兩者取長補短融合在一起，是否會產(chǎn)生意想不到的效果呢？科學(xué)家們經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)：光子作為信息傳遞的載體，具有穩(wěn)定可控的調(diào)制和復(fù)用維度，具有更大的帶寬、更高的頻譜利用率和通信容量。更重要的是，基于微電子技術(shù)先進(jìn)、成熟的互補金屬氧化物半導(dǎo)體工藝，在傳統(tǒng)硅芯片上集成光電器件難度不算太大，它無需通過縮小器件尺寸便可大大提高芯片性能。因此，在傳統(tǒng)硅芯片上，加入光子用來傳輸數(shù)據(jù)，是一個很有潛力的研究與應(yīng)用方向。

“多少事，從來急?！痹缭?985年，被譽為“硅基光電子之父”的理查德·索里夫首次提出并驗證了單晶硅作為通信波長的導(dǎo)波材料，這意味著在硅基平臺上成功“捕獲”了光子，實現(xiàn)了光子器件的硅片上集成。進(jìn)入新世紀(jì)，科學(xué)家們又研制成功了大于40G的調(diào)制器和大于100G的探測器等新一代光子器件，為“光進(jìn)銅退”帶來了希望。

創(chuàng)新無止境。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著硅光相干收發(fā)器、硅光收發(fā)模塊、微波光子鏈路、光傳感鏈路等光子器件的相繼研制成功，硅基光電子技術(shù)進(jìn)入系統(tǒng)應(yīng)用階段。不久的將來，大規(guī)模光電集成、片上可重構(gòu)系統(tǒng)也將變成現(xiàn)實，硅基光電子技術(shù)將進(jìn)入自動化、集成化的新階段，硅光芯片從此迎來曙光。這種采用微電子和光電子取長補短相融合的硅基光電子技術(shù)，能在原來的硅芯片上，讓微電子與光電子同時工作，彼此優(yōu)勢互補，實現(xiàn)了“1+1>2”的效果，使其性能得到大幅提升。

如果將融合了光電子和微電子的硅光芯片，看成是一個聯(lián)合進(jìn)行信息作戰(zhàn)的“兵團”，那么，在它納米量級的“戰(zhàn)場空間”上，光子、電子以及光電子器件等“士兵”進(jìn)行協(xié)同作戰(zhàn)，在高速、驅(qū)動放大、讀出等“友軍”的積極配合下，高精尖的光電耦合封裝技術(shù)讓其形成功能模塊“集成”?？梢灶A(yù)見，它將會給數(shù)據(jù)中心、空間通信、量子信息等領(lǐng)域帶來一系列革命性的變化，硅光芯片無疑將成為“后摩爾定律”時代的“新寵”。

芯片“新寵”，性能卓越突顯身價不凡

任何一項新技術(shù)的誕生，都不可能一蹴而就，硅基光電子技術(shù)雖然已取得一系列技術(shù)突破，但受限于光源、調(diào)控、光子器件研制等技術(shù)難題，目前還處于“量少價高”的階段，離大規(guī)模市場應(yīng)用還有一段路要走。但面對目前芯片發(fā)展的“窘境”，硅基光電子技術(shù)無疑是未來信息技術(shù)發(fā)展的一大趨勢。作為“后摩爾時代”的一項顛覆性技術(shù)，它既具有微電子尺寸小、耗電少、成本低、集成度高等特點，也具備光電子多通道、大帶寬、高速率、高密度等優(yōu)點，已顯示出“干貨”的卓越性能。

集成強，整合易。硅基光電子技術(shù)利用大規(guī)模半導(dǎo)體制造工藝這一平臺，在絕緣體薄膜硅片上，集成信息吞吐所需的各種光子、電子、光電子器件，包括光源、光波導(dǎo)、調(diào)制器、探測器和晶體管集成電路等，從而在一個小小的芯片上實現(xiàn)光電子技術(shù)和微電子技術(shù)的高效整合。在量子通信、數(shù)據(jù)中心、智能駕駛、消費電子等對尺寸更加敏感的領(lǐng)域有很大的應(yīng)用空間，將會顛覆性改變?nèi)藗兾磥砩罘绞健?/p>

帶寬高，速度快。在大數(shù)據(jù)時代，數(shù)據(jù)中心內(nèi)的流量爆炸式增長，傳統(tǒng)銅電路傳輸顯得捉襟見肘。硅基光電子技術(shù)用光通路取代芯片間的數(shù)據(jù)電路，光模塊的高帶寬，不僅可以降低能耗和發(fā)熱，還能實現(xiàn)大容量光互連，能有效解決網(wǎng)絡(luò)擁堵和延遲等問題。同時，用激光束代替電子信號傳輸數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)高速率傳輸。用戶與數(shù)據(jù)中心之間、芯片與芯片之間、計算機設(shè)備之間以及長距離通信系統(tǒng)的信息發(fā)送和接受，都將因此變得快速、穩(wěn)定，給人們帶來巨大的便利。

能耗少，成本低。得益于硅基材料高折射率、高光學(xué)限制能力的天然優(yōu)勢，可以將光波導(dǎo)寬度和彎曲半徑分別縮減至僅約0.4微米和2微米，使其集成密度相對更高。密度增高帶來的是芯片尺寸的縮減，這勢必會帶來低成本、低功耗、小型化等獨特優(yōu)勢。

未來，實現(xiàn)微電子器件和光電子器件大規(guī)模集成硅光芯片，不僅能有效解決傳統(tǒng)硅芯片面臨的技術(shù)瓶頸，而且能為半導(dǎo)體行業(yè)帶來新的發(fā)展機遇，推動信息技術(shù)邁上新的世界巔峰。

軍事應(yīng)用，有望成為戰(zhàn)斗力“倍增器”

硅基光電子技術(shù)，是當(dāng)前受到國際重點關(guān)注的一項戰(zhàn)略前沿技術(shù)，呈現(xiàn)出方興未艾之勢，將在5G網(wǎng)絡(luò)、生物醫(yī)療、量子信息、數(shù)據(jù)中心光互連等領(lǐng)域刮起一場深刻的變革風(fēng)暴。在軍事領(lǐng)域，硅基光電子技術(shù)同樣顯示出了廣闊的應(yīng)用前景----

軍事通信方面，硅基光電子技術(shù)最大的優(yōu)勢在于擁有相當(dāng)高的傳輸速率，可使處理器內(nèi)核之間的數(shù)據(jù)傳輸速度快100倍甚至更高，能為未來信息化聯(lián)合作戰(zhàn)提供高速、海量的數(shù)據(jù)支撐。目前，400G硅光模塊已成功實現(xiàn)量產(chǎn)，在數(shù)據(jù)中心光互連架構(gòu)中的應(yīng)用價值已經(jīng)得到充分證明，可以有效滿足高速軍事通信對超高傳輸速率、超低延時、超高穩(wěn)定性、超低成本、低干擾的要求。高速軍事通信在成本和技術(shù)上的訴求，也勢必將為硅基光電子技術(shù)的應(yīng)用帶來新的轉(zhuǎn)折點。

軍事傳感方面，應(yīng)用硅基光電子技術(shù)的傳感器，具有探測靈敏度高、尺寸小、戰(zhàn)場適應(yīng)性強、成本低等優(yōu)勢，將其用于下一代智能探測裝置，可優(yōu)化并升級作戰(zhàn)性能。激光雷達(dá)已經(jīng)成為軍事探測和偵察不可或缺的關(guān)鍵傳感器，由于硅光使用的SOI材料具有大折射率差，故可對光實現(xiàn)更強束縛，其器件能夠得到顯著縮小。目前激光雷達(dá)普遍龐大笨重，未來應(yīng)用硅基光電子技術(shù)傳感器的激光雷達(dá)將變得跟郵票一樣大，從而使得軍事探測和偵察目標(biāo)更加精確且更具有隱蔽性。有資料顯示，國外發(fā)達(dá)國家的科研團隊已研制出基于硅基光學(xué)相控陣芯片的全固態(tài)激光雷達(dá)，其高集成度、快速掃描、小體積、低成本等優(yōu)勢，可以用作軍事武器裝備的“千里眼”，將成為下一代軍用激光雷達(dá)的重要技術(shù)支撐。

軍事高性能計算方面，能耗和信息讀取速度成為制約高性能計算發(fā)展的兩大因素，與電路相比較，光互連具有低損耗、低色散特點，且不存在寄生現(xiàn)象，其性能與成本不會隨著距離增加而顯著增加，使得計算機并行處理能力和計算能力得到大幅提高。利用硅基光電子芯片進(jìn)行信息交互與計算是突破高性能計算發(fā)展瓶頸的一個關(guān)鍵。應(yīng)用硅基光電子芯片的軍事高性能計算機將在導(dǎo)彈彈道計算、核爆炸計算等方面發(fā)揮重要作用。

此外，硅基光電子技術(shù)還在軍事醫(yī)療、軍事偵察、軍事智能化等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，目前在生物醫(yī)療方面已經(jīng)研制出生物傳感器芯片，在軍事智能化領(lǐng)域，硅光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建成和投入使用將充當(dāng)軍事智能化發(fā)展的“催化劑”。由此可見，硅基光電子技術(shù)是名副其實的部隊?wèi)?zhàn)斗力 “倍增器”。（作者：江天 王握文 來源：國防科技大學(xué)科普中國共建基地）

上圖所示，包括調(diào)制器、波導(dǎo)和光電探測器在內(nèi)的光學(xué)元件集成在硅芯片。圖片摘自《自然》雜志。

上圖為電子-光子硅芯片。圖片摘自《自然》雜志。

上圖為量子硅芯片。圖片摘自《自然》雜志。